Platforma wiedzy

Obróbka stopów na bazie niklu

Tam, gdzie panują bardzo wysokie obciążenia termiczne i mechaniczne, jak w przypadku wielu komponentów w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym czy energetycznym, często stosuje się detale wykonane ze stopów na bazie niklu. 

Co to są stopy na bazie niklu?

Stopy na bazie niklu to materiały, których główny składnik, metal ciężki nikiel, jest łączony z co najmniej jednym innym pierwiastkiem chemicznym (zwykle w procesie topienia). Stosowane są stopy niklowo-miedziowe, niklowo-żelazowe, niklowo-żelazowo-chromowe, niklowo-chromowe, niklowo-molibdenowo-chromowe, niklowo-chromowo-kobaltowe, niskostopowe stopy niklowe (o zawartości niklu do 99,9%) oraz inne stopy wieloskładnikowe. 

Stopy do przeróbki plastycznej i stopy odlewnicze

Ogólnie rzecz biorąc, stopy na bazie niklu dzieli się na dwie grupy: stopy do przeróbki plastycznej i stopy odlewnicze. Stopy do przeróbki plastycznej są stosowane w budowie turbin do dysków i pierścieni i ze względu na swoje właściwości sprawdzają się w zakresie temperatur do 730 stopni Celsjusza. Stopy odlewnicze są stosowane głównie do komponentów o wysokich obciążeniach termomechanicznych i złożonej geometrii. W tym przypadku komponenty te są odlewane w kształcie zbliżonym do końcowego o mikrostrukturze polikrystalicznej, a następnie poddawane jedynie niewielkiej obróbce mechanicznej. 

Właściwości stopów na bazie niklu

W szczególności szeroko rozpowszechnione stopy niklowo-chromowe charakteryzują się ekstremalną odpornością termiczną do około 750 stopni Celsjusza, co oznacza, że mogą one trwale wytrzymać obciążenia bliskie temperaturze topnienia. Jednocześnie wykazują one wysoką plastyczność i wytrzymałość, a także niską przewodność cieplną przy jednocześnie dobrej formowalności na zimno i wysokiej odporności na korozję. Niska gęstość, wysoka odporność chemiczna i wysoka odporność na zużycie sprawiają, że stopy te są szczególnie interesujące w takich obszarach zastosowań w wysokiej temperaturze, w których aluminium i stal są niestabilne.

Z drugiej strony, to właśnie te dobre właściwości użytkowe stopów sprawiają, że obróbka mechaniczna jest trudniejsza: Przy krótkiej trwałości narzędzia można stosować jedynie stosunkowo niskie prędkości skrawania. Przy obróbce aluminium narzędziami z niepowlekanego węglika spiekanego, okres trwałości narzędzi wynosi kilka dni; dla żeliwa z grafitem sferoidalnym spada do około jednej godziny i wynosi od pięciu do dziesięciu minut dla stopów na bazie niklu. 

Materiały skrawające do stopów na bazie niklu

Stal szybkotnąca

„High-Speed-Steel (HSS)” jest używana ze względu na wysoką ciągliwość w obróbce przerywanej stopów na bazie niklu w takich obszarach zastosowania, jak frezowanie, gwintowanie, przeciąganie i dłutowanie. W przypadku stopów na bazie niklu można stosować prędkości skrawania od 5 do 10 m/min. Posuwy na ząb można ustalać stosunkowo wysoko od 0,1 do 0,16 mm ze względu na ciągliwość HSS.

Węglik spiekany

Węgliki spiekane (HM) składają się z węglików metali trudnotopliwych, przede wszystkim wolframu, które są osadzone w miękkiej warstwie metalu wiążącego i tym samym należą do materiałów kompozytowych. Z reguły narzędzia z węglika spiekanego stosowane są w obróbce stopów na bazie niklu przy stosunkowo niskich prędkościach skrawania od 20 do 40 m/min. Wyższe prędkości skrawania prowadzą do szybkiego przeciążenia materiału skrawającego i dlatego w większości przypadków nie mogą być stosowane w sposób bezpieczny dla procesu. 

Azotek boru

Sześcienny azotek boru (cBN; borazon) jest drugim po diamencie najtwardszym znanym materiałem. Jest on twardszy, bardziej odporny na zużycie i droższy niż spiek ceramiczny. Ze względu na właściwości cBN, w obróbce toczeniem można stosować duże prędkości skrawania. cBN nie stosuje się do frezowania stopów na bazie niklu, ale do obróbki toczeniem Inconelu 718 już tak. Zaleca się stosowanie prędkości skrawania w zakresie od 400 m/min do 600 m/min. W bezpośrednim porównaniu z narzędziami z węglika spiekanego z powłoką TiAlN, przy prędkości skrawania vc wynoszącej 50m/min cBN charakteryzuje się o 100% większą trwałością. Do toczenia wykańczającego struktur niestabilnych cBN jest pierwszym wyborem w zastosowaniach przemysłowych. 

Ceramika narzędziowa

Ceramika powstaje ze spiekania proszków ceramicznych bez dodatku spoiwa. Norma DIN ISO 513 dzieli ceramikę na pięć grup materiałowych:

CA = ceramika tlenkowa, zawierająca głównie tlenek glinu (Al2O3)

CM = ceramika mieszana na bazie tlenku glinu (Al2O3), ale zawierająca składniki inne niż tlenki

CN = ceramika azotkowa, zawierająca głównie azotek krzemu (Si3N4 )

CR = ceramika tlenkowa wzmocniona wiskerami, zawierająca głównie tlenek glinu (Al2O3)

CC = ceramika jak wszystkie powyżej, ale z naniesioną powłoką

Narzędzia ceramiczne zachowują swoją twardość również w wysokich temperaturach, występujących podczas frezowania superstopów żaroodpornych (HRSA). Dzięki temu można osiągnąć 20 do 30 razy większą prędkość skrawania w porównaniu z narzędziami pełnowęglikowymi.

Ceramika narzędziowa pochodz pierwotnie z obróbki toczeniem. Obciążenie termiczne podczas toczenia pozostaje względnie stabilne. Z kolei podczas frezowania temperatura na krawędzi skrawającej zmienia się, ponieważ skrawanie jest przerywane. Gwałtowna zmiana ciepła tarcia i chłodzenie powoduje naprężenia na krawędzi skrawającej. Aby uniknąć szoku termicznego spowodowanego schłodzeniem narzędzia, podczas frezowania ceramicznymi krawędziami skrawającymi nie używa się środków chłodząco-smarujących. Ceramika Sialon (SiAlON; efekt reakcji azotku krzemu z tlenkiem glinu) jest generalnie mniej wrażliwa na wahania temperatury niż ceramika wzmocniona wiskerami, co czyni ją lepszym wyborem do obróbki frezowaniem. 

Podstawowym warunkiem frezowania ceramicznymi krawędziami skrawającymi są frezarki wysokoobrotowe, które w niektórych przypadkach są w stanie rozpędzić wrzeciono do prędkości ponad 10.000 obr./min, co stanowi dodatkowe wyzwanie dla narzędzi.

Podczas gdy systemy narzędziowe z płytkami ceramicznymi są dostępne na rynku w różnych kształtach i są stosowane w przemyśle, narzędzia do frezowania o średnicy poniżej 16 mm nie są jeszcze tak szeroko rozpowszechnione z wymienionych powodów. Tutaj przez długi czas konkurencji nie miały narzędzia ze stali szybkotnącej i węglika spiekanego.

Oprócz zużycia chemicznego, związanego z temperaturą, w przypadku ceramicznych materiałów skrawających często dochodzi do tworzenia się narostów na krawędziach: W wysokiej temperaturze, jaka powstaje w strefie obróbki, tworzą się opary metalu, które się stapiają z powierzchnią materiału skrawającego – podczas odrywania się mogą odpryskiwać części ceramiki.